Диссертация (Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Московский государственный университет пищевых производств»На правах рукописиМокрушин Сергей АлександровичРАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМСТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ В ПРОМЫШЛЕННОМАВТОКЛАВЕСпециальность: 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическимипроцессами и производствами (пищевая промышленность)ДИССЕРТАЦИЯна соискание учѐной степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наукБлаговещенский И.Г.Москва - 20192ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................

4ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА КОНСЕРВОВ ИПРОБЛЕМЫ ЕГО АВТОМАТИЗАЦИИ .................................................................... 111.1 Современное состояние и перспективы развития автоматизации консервногопроизводства в России .................................................................................................. 111.2 Основные сведения о технологическом процессе стерилизации консервов .... 141.3 Оборудование для стерилизации консервов ........................................................ 211.4 Вертикальный автоклав как объект автоматизации ............................................ 261.5 Обзор существующих систем управления процессом стерилизации консервов31Выводы по первой главе ............................................................................................... 38ГЛАВА2.СОЗДАНИЕТЕХНОЛОГИЧЕСКОГОПРОЦЕССАМАТЕМАТИЧЕСКОЙСТЕРИЛИЗАЦИИМОДЕЛИКОНСЕРВОВВПРОМЫШЛЕННОМ АВТОКЛАВЕ ...........................................................................

392.1 Математическое описание изменения технологических параметров впромышленном автоклаве ............................................................................................ 392.1.1 Математическое описание процесса изменения температуры в автоклаве ... 422.1.2 Математическое описание процесса изменения давления в автоклаве ......... 472.2 Математическое моделирование процесса изменения температуры и давленияв автоклаве ..................................................................................................................... 502.3 Идентификация и проверка адекватности математической модели.................. 60Выводы по второй главе ............................................................................................... 67ГЛАВА3.УПРАВЛЕНИЯВЫБОРСТРУКТУРЫ СИСТЕМЫТЕХНОЛОГИЧЕСКИМАВТОМАТИЧЕСКОГОПРОЦЕССОМСТЕРИЛИЗАЦИИКОНСЕРВОВ В ПРОМЫШЛЕННОМ АВТОКЛАВЕ ..............................................

693.1 Выбор структуры управляющих устройств ......................................................... 693.2 Оценка влияния свойств объекта на выбор закона регулирования ................... 773.3 Выбор метода расчѐта коэффициентов настройки регуляторов ........................ 843.4 Анализ качества процесса регулирования ............................................................ 923Выводы по третьей главе ............................................................................................ 103ГЛАВА4.ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯАВТОМАТИЧЕСКОГОУПРАВЛЕНИЯРЕАЛИЗАЦИЯПРОЦЕССОМСИСТЕМЫСТЕРИЛИЗАЦИИКОНСЕРВОВ ............................................................................................................... 1054.1 Описание структуры системы автоматического управления процессомстерилизации в автоклаве ...........................................................................................

1054.2 Интеграция участка стерилизации консервов в общую информационнуюсистему предприятия .................................................................................................. 1124.3 Аппаратная реализация программно-аппаратного комплекса управленияпроцессом стерилизации консервов .......................................................................... 1154.4 Программная реализация программно-аппаратного комплекса управленияпроцессом стерилизации консервов ..........................................................................

1264.5Технико-экономическаяэффективностьвнедрениянапроизводствепрограммно-аппаратного комплекса ......................................................................... 147Выводы по четвѐртой главе........................................................................................ 150ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................................................

153СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ .............................. 156СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 157ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схемы моделирования с подставленными числовымизначениями ................................................................................................................... 170ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Таблицы расчета относительной погрешности ......................

171ПРИЛОЖЕНИЕ В. Структурная схема системы автоматического управления сконтролем показаний теплоносителя ........................................................................ 173ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акты о внедрении ...................................................................... 174ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ ............. 1764ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. Консервы являются стратегическимпродуктом питания, от их качества зависит продовольственная безопасностьстраны в чрезвычайных ситуациях. Одними из основных процессов обработкисырья в пищевой промышленности является термическая обработка продукта(стерилизация и пастеризация), которая достаточно энергоемка.

Ассортиментконсервнойпродукциивусловияхрыночнойконкуренциипостояннорасширяется, а к качеству консервов предъявляются более высокие требования,которые могут удовлетворяться только за счет совершенствования технологии иоборудования. По этой причине на многих предприятиях предусмотренымероприятияповыведениюизэксплуатациистарогонеэффективногооборудования и внедрению нового, соответствующего современным требованиямпо качеству и энергоэффективности, а также использованию инновационныхтехнологий в производственном процессе.Резкомуповышениюэффективноститехнологическогопроцессастерилизации консервов может способствовать внедрение автоматических системуправлениятехнологическимпроцессом,которыепозволятболееточнорегулировать и поддерживать параметры процесса. В силу этого, разработка иисследование систем автоматизации технологического процесса стерилизацииконсервов является актуальной научно технической задачей.Адекватная математическая модель технологического процесса являетсяодним из наиболее мощных инструментов создания эффективных системавтоматического управления.

Следует отметить, что процесс стерилизациизависит от ряда факторов, учет влияния и взаимодействия которых, а такжеточность их отражения на поведении модели, является одной из главных задачпредлагаемого исследования.Такимобразом,можноутверждать,чторазработкаэффективныхалгоритмов и системы автоматического управления автоклавом на основесовременных законов управления для ведения процесса стерилизации консервов,5является актуальной научной задачей, решение которой позволит существенноснизитьрасходэнергоресурсовипроцентбракапродукциипослестерилизационной обработки, что в конечном итоге отразится на себестоимостиконечного продукта.Степень разработанности темы исследования.

Большой теоретический ипрактическийвкладвразвитиетеориипроцессастерилизациивнеслиотечественные ученые: М. С. Аминов, Б. Л. Флауменбаум, В. П. Бабарин, М. Э.Ахмедов и др. Исследованиями процессов тепло- и массопереноса пристерилизацииконсервов,атакжевопросамиавтоматизациипроцессастерилизации занимались ученые: А.П. Бабенков, П. В. Зеленков, Б. Е. Щѐкин, М.П. Асмаев, Е. В. Выскубов, А. В. Власов, А. В. Кайченов и др. В настоящее времястерилизационные установки постоянно совершенствуются, разрабатываютсяновые конструкции, внедряются передовые способы стерилизации продуктов.Однако зачастую не исследуется эффективность применения различных методовавтоматическогоуправленияпроцессомстерилизации,методынастройкипромышленных регуляторов на заданный вид технологического процесса.

Такжедо конца не исследованы способы точного и эффективного регулированиятехнологических параметров в установке для стерилизации консервов.Цель исследования. Повышение эффективности установки и качествапроизводимой продукции за сѐт повышения точности поддержания заданныхпараметров технологического процесса и гибкости формирования режимовстерилизации консервов в промышленном автоклаве.Задачи исследования.1. Исследование современного состояния производства консервов, анализпроблем автоматизации стерилизационных установок, выявление недостатковсовременныхотечественныхсистемавтоматическогоуправлениятехнологическим процессом стерилизации консервов.2. Разработка структуры и выбор комплекса технических средств дляреализации системы автоматического управления технологическим процессомстерилизации консервов в промышленном автоклаве, с целью снижения доли6ручного труда, экономии энергоресурсов и повышения качества готовойпродукции.3.Разработкаматематическоймоделитехнологическогопроцессастерилизации консервов в промышленном автоклаве.4.

Разработка алгоритма и структуры системы управления технологическимпроцессом стерилизации консервов, опирающихся на теорию автоматическогоуправления и учитывающих взаимное влияние управляющих координат.5.Практическаяреализациясистемыавтоматическогоуправленияпроцессом стерилизации консервов в виде программно-аппаратного комплекса сорганизацией человеко-машинного интерфейса.Объект исследования.